1. CHE COS'È IL CALCESTRUZZO FESSURATO?

Joseph Monier, un giardiniere francese del XIX secolo, è stato un pioniere nello sviluppo del calcestruzzo armato e, successivamente, G. A. Wayss, un ingegnere civile tedesco, ha utilizzato per primo il calcestruzzo armato per scopi commerciali consolidandone la tecnologia e il meccanismo di funzionamento del rinforzo. In maniera semplificata, l'acciaio viene chiamato ad assorbire le sollecitazioni di trazione, mentre il calcestruzzo fornisce resistenza solo agli sforzi di compressione.
Il calcestruzzo infatti ha un'alta resistenza alla compressione, ma una bassa resistenza alla trazione. Quando è sottoposto a forze di trazione, è incline a fessurarsi (Fig. 1.1). Per calcestruzzo fessurato ci si riferisce al calcestruzzo che ha sviluppato fessure visibili a causa di sollecitazioni interne o esterne, ovvero tipicamente larghe 0,1 – 0,3 mm. Queste fessure possono formarsi a causa di carichi strutturali, espansione termica, ritiro, creep o fattori ambientali.

A causa della bassa resistenza alla trazione del calcestruzzo, le armature assorbono le sollecitazioni di trazione nel calcestruzzo fessurato. La sollecitazione di compressione nella sezione di calcestruzzo non influenzata dalle fessure rimane praticamente invariata e segue un modello di distribuzione approssimativamente lineare (Fig. 1.2). Quando si forma una fessura, lo sforzo di trazione all'apice della fessura diventa significativamente alto, mentre la sollecitazione all'interno della sezione fessurata diminuisce anche a zero (a secondo della apertura della fessura). Tra le fessure, il calcestruzzo sperimenta comunque alcune tensioni di trazione grazie all'aderenza tra il calcestruzzo e l'armatura, le quali diminuiscono gradualmente man mano che aumenta la distanza tra le facce della fessura. Gli standard di progettazione del calcestruzzo armato richiedono che la larghezza delle fessure risultanti dai carichi statici e quasi-statici massimi ammissibili di esercizio (cioè carichi permanenti più una frazione del carico variabile) non superi valori compresi tra 0,3 mm a 0,4 mm. In caso di carichi accidentali, come azioni sismiche, la larghezza delle fessure può raggiungere anche valori tra 0,5 mm a 0,8 mm.

2. PERCHÉ IL CALCESTRUZZO FESSURATO È UNA IPOTESI IMPORTANTE NELLA PROGETTAZIONE DEGLI ANCORAGGI?

2.1 Effetto della fessurazione sulla prestazione dell'ancoraggio
Le diverse condizioni di carico su elementi di calcestruzzo causano diverse zone di trazione, e la prestazione dell'ancoraggio dipende dalla posizione dell'ancoraggio stesso (Fig. 2.1).

In generale, quando si formano fessure in un elemento in calcestruzzo, è molto probabile che esse intersechino direttamente o tangenzialmente la posizione dell'ancoraggio (Fig. 2.2) e le sollecitazioni radiali nel calcestruzzo vengono divise dalla fessura (Fig. 2.4 a). Ciò avviene perché intorno all'ancoraggio si sviluppano sollecitazioni di trazione più elevate, a causa delle sollecitazioni circostanti legate alla precompressione e al carico dell' ancoraggio, nonché alla concentrazione delle sollecitazioni causata dalla presenza del foro dell'ancoraggio (effetto intaglio, Fig. 2.3 a). Inoltre, la probabilità che si formino fessure nella posizione dell'ancoraggio è elevata, a causa del degrado della matrice di calcestruzzo causato dall'installazione stessa (Fig. 2.3 b).

La Fig. 2.4 b) mostra un tipico comportamento di carico-spostamento di ancoranti installati in calcestruzzo fessurato e non fessurato sotto carico di trazione. Nel calcestruzzo non fessurato, lo spostamento dell'ancorante è molto inferiore rispetto al calcestruzzo fessurato e la sua capacità di carico è maggiore. Un'analisi approfondita sul comportamento dei fissaggi nel calcestruzzo fessurato rispetto a quello non fessurato è documentata da Eligehausen et al. [1].

L'influenza qualitativa della fessura nel calcestruzzo sulla resistenza allo sfilamento e sugli spostamenti degli ancoraggi post-installati è mostrata nella Tabella 2.1.

2.2 Come viene valutata la prestazione degli ancoraggi nel calcestruzzo fessurato?
I quadri normativi europei e statunitensi definiscono i test da eseguire per valutare la prestazione degli ancoraggi per determinate ampiezze di fessura. Un esempio di programma di test tratto da EAD 330232 [2] e AC 193 [3] per ancoraggi meccanici post-installati è riportato nella Tabella 2.2.

Le larghezze delle fessure utilizzate nei test di qualifica si basano su campagne di ricerca consolidate sulle larghezze delle fessure valutate su strutture allo Stato Limite Ultimo e allo Stato Limite di Esercizio (SLU e SLE), come mostrato nelle Fig. 2.5 e 2.6.

Il carico variabile può influenzare in modo significativo la formazione di fessure nel calcestruzzo nei punti di ancoraggio. La fessura si allarga e si propaga con i cicli di carico-scarico ripetuti (Fig. 2.7). Questo può causare una riduzione della resistenza dell'ancoraggio, un progressivo allentamento o un aumento della deformazione, riducendo così l'affidabilità della connessione. Sebbene ci sia una tendenza degli ancoraggi a scivolare durante l'apertura e la chiusura delle fessure, i test ciclici di fessurazione (Fig. 2.8) consentono uno spostamento massimo dell'ancoraggio di 3 mm dopo 1000 cicli. Questo corrisponde a una vita utile di progetto di 50 anni. I moderni criteri di valutazione richiedono un numero maggiore di cicli, se la connessione è progettata per una vita utile maggiore (ad esempio, 100 anni).

3. COSA DICONO LE NORMATIVE RIGUARDO L'IPOTESI DI CALCESTRUZZO FESSURATO NELLA PROGETTAZIONE DEGLI ANCORAGGI?

Le norme di progettazione, (sia la EN 1992-4 [7], Paragrafi 4.5 e 4.7, sia la ACI 318 [8], Paragrafo 17.10.5.4), raccomandano di considerare il calcestruzzo fessurato nella progettazione degli ancoraggi post-installati, a meno che non venga dimostrato che il calcestruzzo rimarrà non fessurato per l'intera vita utile di progetto (come può accadere in elementi in compressione costante sotto carichi permanenti). La EN 1992-4 [7] fornisce ulteriori indicazioni in merito all'ipotesi di calcestruzzo non fessurato per il design degli ancoraggi nell'Equazione (4.4):

σL+σR≤σadm EN 1992-4, eq. (4.4)
dove:

• σL​ = sollecitazione nel calcestruzzo dovuta ai carichi esterni, inclusi gli ancoraggi;
• σR= sollecitazione generata nel calcestruzzo in virtù dell'ancoraggio e delle deformazioni imposte intrinseche ed estrinseche (ad esempio, ritiro, variazioni di temperatura o spostamento del supporto). Il valore predefinito di σR è 3 N/mm²;
• σadm= sollecitazione di trazione ammissibile per calcestruzzo non fessurato.

Inoltre, come previsto dalla EN 1992-4, Par. 9.2.2 e dall' ACI 318, Par. R17.10.5.4, la progettazione degli ancoraggi per applicazioni sismiche deve essere effettuata solo per calcestruzzo fessurato. Come specificato dalla EN 1992-4, Par. D.1, anche gli ancoraggi esposti al fuoco devono avere una ETA (European Technical Assessment) per l'uso su calcestruzzo fessurato.
Stabilire che il materiale di base, cioè il calcestruzzo, sia non fessurato in tutte le circostanze è, ovviamente, abbastanza complesso. Pertanto, si raccomanda sempre di considerare il calcestruzzo come fessurato nella progettazione degli ancoraggi post-installati.
Le equazioni fornite dalla EN 1992-4 [7] per il calcolo della resistenza nei confronti dei diversi meccanismi di rottura a trazione mostrano chiaramente una netta differenza nel valore caratteristico associato al calcestruzzo fessurato e non fessurato (Tabella 3.1).

4. COME PROGETTARE GLI ANCORAGGI PER IL CALCESTRUZZO FESSURATO?

Il software di progettazione strutturale basato su cloud PROFIS Engineering di Hilti offre in maniera gratuita opzioni di progettazione sia per calcestruzzo fessurato che non fessurato. Nella fase di input del progetto, sotto la scheda "Materiale base", si dovrà selezionare calcestruzzo fessurato. Di conseguenza, compariranno solo gli ancoraggi post-installati adatti allo scopo e altre condizioni al contorno proprie dello specifico design. L'utente potrà scegliere tra le opzioni disponibili e proseguire con la progettazione e visualizzare i risultati finali (Fig. 4.1). Maggiori dettagli sui metodi di progettazione passo-passo in PROFIS Engineering sono forniti nel manuale delle connessioni acciaio calcestruzzo, disponibile al seguente link [9].

5. CONCLUSIONI

In generale, le fessurazioni nel calcestruzzo sono presenti e la loro posizione può facilmente coincidere con la posizione dell'ancoraggio, implicando una riduzione della capacità di carico o spostamenti visibili. Si raccomanda di considerare sempre il calcestruzzo come fessurato nella progettazione, a meno che non si tratti di applicazioni in cui è chiaro che il calcestruzzo non verrà mai sollecitato a trazione, come nel caso di fissaggi leggeri su elementi in calcestruzzo precompresso (da verificare in ogni caso). In caso contrario, dovrebbero essere utilizzati ancoraggi qualificati per l'uso su calcestruzzo sollecitato a trazione al fine di garantire la sicurezza attraverso una progettazione adeguata, mentre soluzioni per cui le prestazioni non sono state valutate in questa condizione non possono garantire una sufficiente affidabilità e sicurezza.

Per iniziare a progettare:


REFERENZE
[1] R. Eligehausen, R. Mallee and J. Silva, Anchorage in Concrete Construction, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 2006.
[2] EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021.
[3] AC 193: ACCEPTANCE CRITERIA FOR MECHANCIAL ANCHORS IN CONCRETE ELEMENTS, ICC Evaluation Service, 2009.
[4] K. Bergmeister, Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, PhD Thesis, Germany: University of Innsbruck, 1988.
[5] P. Schiessl, Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 1986.
[6] R. Eligehausen and A. Bozenhardt, Crack widths as measured in actual structures and conclusions for the testing of fastening elements., Germany: Univeristy of Stuttgart, Institute of Construction Materials, 1989.
[7] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.
[8] ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete, Farmington Hills: American Concrete Institute, 2019.
[9] S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.